UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN UNIVERSIDAD ALONSO DE OJEDA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE COMPUTACIÓN AUTOMATIZACIÓN UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN AUTOR: ING. GERARDO ALBERTO LEAL, MSc Marzo 2012

Concepto de Automatización. La Automatización es un área de la ingeniería basada en tecnologías que permiten utilizar las capacidades de las máquinas, equipos y sistemas para realizar las operaciones de los procesos sin la intervención total ó parcial del hombre. Operaciones Manuales Operaciones Automatizadas

La Automatización se aplica en diversos sectores de la producción de bienes y servicios tales como: Industria Química y Petroquímica Industria Alimentos Telecomunicaciones Industria de la Energía Eléctrica Industria de los Hidrocarburos Sistemas de Transporte Servicios Públicos Gas y Agua Muchos mas …..

Procesos donde es aplicable la Automatización Sistemas Eléctricos Automatizados. Planta de Generación Hidroeléctricas Sistemas de Distribución Línea de Transmisión de Energía Industrias, Comercios y Residencias

Procesos donde es aplicable la Automatización Sistemas Automatizados en Servicios Públicos de Agua y Gas. Represas y Embalses. Estaciones de Distribución Estaciones de Bombeo Plantas y Estaciones de Distribución de Gas Plantas de Tratamiento de Agua

Sistemas Automatizados en la Industria Petrolera. Procesos donde es aplicable la Automatización Sistemas Automatizados en la Industria Petrolera. Pozos de Producción Estaciones de Producción Patios de Almacenamiento Múltiples de Distribución de Gas Plantas de Gas. Refinerías

Antecedentes de la Automatización 1938: Circuitos basados en Algebra de Boole 1947: Concepto de Automatización por Ford. 1960: Primeros Autómatas basados en la Lógica Digital. 1973: Concepto de PLC (Controladores Lógicos Programables) basados en control electromecánico. 1975: Microprocesadores permiten la evolución de los PLC. 1980: General Motors introduce estandarización a nivel de PLC´s. Elementos de programación y Robótica. 1990: Electrónica fortalece uso del computador, protocolos de comunicación y sistemas en red. 2000: Microelectrónica. Programación alto nivel. Integración de Sistemas. Redes. Tecnología Web.

Ventajas de la Automatización Desventajas de la Automatización Aumento de la Productividad. Resistencia al cambio. Reducción de Costos de Operación. Se requieren conocimientos Tecnológicos. Mejor Calidad de Productos. Altos costos de inversión inicial. Estandarización de los Productos. Limitaciones de personal capacitado. Aumento de la Seguridad Industrial. Necesidad permanente de adiestramiento. Dignificación del trabajo Humano. Obsolescencia de las tecnologías. Flexibilidad de la Producción. Limitaciones de las máquinas para operar. Integración de Sistemas de Producción. Dificultades por falta de sensores

Modelo Estructural de un Sistema de Automatización Actuadores Pre-Actuadores Sensores Comunicaciones Parte Operativa Parte de Control 9

Clasificación de las tecnologías de Automatización Neumática Hidráulica Electrónica Eléctrica Tecnologías Cableadas y Físicas Tecnologías Programables Autómatas (PLC) Micro-Controladores Computadores Clasificación Tecnológica Tecnologías de Integración: telecomunicaciones, redes, entornos web, informática, aplicaciones de software, entre otros 10

Niveles de Automatización El grado de automatización de un proceso depende de factores tecnológicos y económicos Nivel Básico: supervisión local, posicionamiento de dispositivos y funciones de seguridad Nivel Intermedio: nivel básico mas el control de un conjunto de máquinas y equipos Nivel Avanzado: niveles anteriores mas aspectos de supervisión remota, optimización, gestión de mantenimiento, control de calidad, seguimiento de la producción. Aparecen conceptos de control centralizado, control jerárquico, control distribuido. Alto Nivel: corresponde al esquema de plataformas de integración de sistemas, donde se contempla el manejo de la producción en forma integrada con conceptos de gestión, planificación, programación. Se desarrollan sistemas expertos. Los sistemas a este nivel se planifican de arriba hacia abajo y se implementan de abajo hacia arriba 11

Nivel 1: INSTRUMENTACIÓN, MEDICIÓN Modelo Piramidal Integrado de un Sistema de Automatización Planificación del Sistema Nivel 4: INTEGRACIÓN, OPTIMIZACIÓN Y GESTIÓN Implementación del Sistema Nivel 3: SUPERVISIÓN Y CONTROL REMOTO Flujo de Datos hacia el Proceso Flujo de Datos desde el Proceso Nivel 2: CONTROL LOCAL Y RECOLECCION DE DATOS Nivel 1: INSTRUMENTACIÓN, MEDICIÓN Y ACTUACIÓN Nivel 0: Operaciones del Proceso Modelo Piramidal ISO

Nivel 1: Instrumentación, Medición y Actuación Elementos de medición y detección de las variables de los procesos (Medidores y Sensores) y los elementos de acción sobre el proceso (Actuadores) Actuadores de Válvulas Transmisores (Presión, Flujo, Nivel, etc) Sensores (Sucihes de Presión, Nivel, Temperatura, etc) Relés (24Vdc, 110Vac, etc)

Controladores Lógicos Nivel 2: Control Local y Recolección de Datos Dispositivos para integrar los instrumentos, poseen autonomía formando los sistemas de control junto con los instrumentos y permiten la interconexión con el nivel se supervisión. Controladores Lógicos Programables (PLC) Controladores PID Unidades Terminales Remotas (RTU) Computadores Personales (PC)

Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Data (SCADA) Nivel 3: Supervisión y Control Remoto Sistemas que permiten visualizar los procesos desde Centros de Operaciones Automatizadas, dando una “imagen virtual de la planta” . En paneles virtuales se muestran alarmas, fallas, estados y operaciones sobre los procesos. Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Data (SCADA)

Nivel 4: Integración, Optimización y Gestión Sistema informático de gestión de la planta, comunica distintas organizaciones y mantiene las relaciones con proveedores y clientes, a través de un ambiente de integración computacional. Existen aplicaciones de alto nivel que permiten la optimización de procesos y el procesamiento de datos par toma de decisiones gerenciales. Ambientes de Oficina Integrados con recursos informáticos Ambientes de Oficina para Gerencia de Procesos

Aspectos de Instrumentación para la Automatización La conforman todos los elementos de medición y detección de las variables de los procesos (Sensores) y los elementos de acción sobre el proceso (Actuadores) Recolección de Datos Sistema de Control Supervisión Actuadores Planta/Procesos Sistema de Automatización Medidores

Variables de Procesos DIGITALES ANALOGICOS Variables con rango de valores, requieren de instrumentos sensores y Transmisores de señales eléctricas análogas a la variable del proceso para poder medirlas y controlarlas. Relés (Abierto / Cerrado ON/OFF) Transmisores de Flujo FT (0 – 150 Pie3 /Seg) Transmisores de Presión PT (0-1500 Psi) DIGITALES Transmisores de Presión Diferencial PDT (0- 100 “H2O) ANALOGICOS

Clasificación y Tipos de Instrumentos según el tipo de datos Analógicos Digitales Entrada Salida Transmisor de Presión (PT) X Transmisor de Temperatura (TT) Transmisor de Nivel (TT) Transmisor de Flujo (FT) Transmisor de Posición (ZT) Transmisor de Velocidad (ST) Transmisor de Corriente (IT) Transmisor de Voltaje (ET) Convertidores I/P Actuadores de Válvulas (YV) Suiches de Presión (PS) Suiches de Nivel (LS) Contactos de Rele (K) Bobinas de Rele (K) Válvulas de dos estados (V) Arrancador de Motores (M) Contactor de Motores (M)

Acondicionador de Señal Principio de Funcionamiento de los Instrumentos Analógico de Entrada: Reciben información de la variable del proceso y generan señales de corriente o voltaje, en forma continua y análoga al comportamiento de la variable real. Sensor Transductor Acondicionador de señal (Electrónica) Salida Proceso 0-2000 Psi 4 – 20 mA 1 – 5 V Red Proceso Salida Eléctrica Acondicionador de Señal (Electrónica) Transductor Sensor Proceso

Transductor (Motor) Entrada Válvula Proceso Principio de Funcionamiento de los Instrumentos Principio de Funcionamiento de los Instrumentos Analógico de Salida: Recibe comandos en forma de señales de corriente o voltaje continuas, para transformarlas en acciones físicas sobre los elementos finales de control que actúan directamente sobre el proceso. Actuador Transductor (Motor) Acondicionador de señal Entrada Válvula 4 – 20 mA 1 – 5 V Red 0-100% Proceso Actuador Válvula

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. ING. GERARDO A. LEAL Principio de Funcionamiento de los Instrumentos Digital de Entrada: Recibe señales de dos estados (On / Off), en forma de Nivel de voltaje o de contacto seco, posteriormente estas señales se convertirán en niveles lógicos (1 y 0) Sensor Transductor Acondicionador de señal Salida Proceso ON OFF +V (1) Gnd (0) Contactor Suiche de Presión Rele de Contactos AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. ING. GERARDO A. LEAL

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. ING. GERARDO A. LEAL Principio de Funcionamiento de los Instrumentos Principio de Funcionamiento de los Instrumentos Digital de Salida: Recibe señales de dos estados (On / Off), en forma de Nivel de voltaje o de contacto seco, posteriormente estas señales se convertirán en niveles lógicos (1 y 0) Transductor Acondicionador de señal Entrada Proceso +V (1) Gnd (0) ON OFF Contactos Bobina Electroválvula Contactor AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. ING. GERARDO A. LEAL

Transmisores en Red (Instrumentos Inteligentes) Controlador de la Red (Protocolos de comunicación: Hart, Fieldbus, Microbuffer,etc) (Señal portadora 4 mA) PT1 PT3 PT2 PT4 PT5 Datos de la Red para cada PT: Dirección de cada PT Rango y Unidades Valor medido Calidad de los datos Diagnostico del Instrumento Diagnostico de la Red

(Protocolos de comunicación: Hart, Fieldbus, Microbuffer,etc) Actuadores de Válvulas en Red (Instrumentos Inteligentes) Controlador de la Red (Protocolos de comunicación: Hart, Fieldbus, Microbuffer,etc) (Señal portadora 4 mA) Act1 Act2 Act3 Act4 Act5 Datos de la Red para cada Actuador: Dirección de cada Actuador Estado de la válvula (Open / Close) Comando de la Válvula (Open / Close) Calidad de los datos Diagnostico de los actuadores Diagnostico de la Red

Dispositivos diseñados para centralizar todos los datos que vienen o Sistema de Recolección de Datos Dispositivos diseñados para centralizar todos los datos que vienen o van hacia un proceso, a través de la interconexión con la instrumentación. Infraestructura Física de Planta Instrumentación de Planta Proceso I O Sistema Recolector de Datos Unidad Terminal Remota Supervisión a Distancia (Scada) Telecomunicaciones Supervisión Local (IHM) Interfase Humano-Maquina) (DCS) Configuración

Las RTU son dispositivos electrónicos para la adquisición y control Unidad Terminal Remota (RTU) Las RTU son dispositivos electrónicos para la adquisición y control a distancia de los datos de proceso. Son el interfaz entre los instrumentos y los sistemas de supervisión. Vista Externa Vista Interna

Sistema Comunicación Externo Configuración y Supervisión Arquitectura de la Unidad Terminal Remota RTU Medidores y Sensores RAM EPROM CPU Batería Bus de Memoria PROCESADOR MODULOS DIGITALES ENTRADA (DI) INTERFASE (DI) SALIDA (DO) INTERFASE (DO) MODULOS ANALOGICOS ENTRADA (AI) INTERFASE (AI) SALIDA (AI) INTERFASE (AO) FUENTE DE PODER +5V, +12V Instrumentos y Sensores Reles y Válvulas Actuadores Bus de I/O MODULO COMUNICACION Sistema Alimentación Externo Sistema Comunicación Externo Configuración y Supervisión Bus +V / Gnd Red Instrumentos

Hardware Modular de la RTU Módulos Principales Módulos I/O Módulos DI 4, 8, 16, 32 Entradas DI – 8 ENTRADAS DO – 8 SALIDAS AI – 8 ENTRADAS AO – 8 SALIDAS SLOT RESERVA SLOT RESERVA SLOT RESERVA Módulos DO 4, 8, 16, 32 Salidas FUENTE DE PODER PROCESADOR COMUNICACION Rack Módulos AI 4, 8, 16, 32 Entradas Módulos AO 4, 8, 16, 32 Salidas Interfases Instrumentación Instrumentos

Datos de Proceso en la RTU MODULO AI ( 8 Entradas) PT-01-1 TT-02-1 PT-02-1 PROCESADOR LT-02-1 PDT-02-1 ZT-03-1 FT-04-1 PT-05-1 Instrumentos Analógicos AI-1 AI-2 AI-3 AI-4 AI-5 AI-6 AI-7 AI-8 Puntos tipo Byte en el Procesador RTU MODULO DI ( 8 Entradas) PS-01-1 PS-02-1 PROCESADOR LS-02-1 LHS-02-1 ZV-03-1 ZV-04-1 ZV-05-1 Instrumentos Binarios DI-1 DI-2 DI-3 DI-4 DI-5 DI-6 DI-7 DI-8 Puntos tipo Bit en el Procesador RTU

IHM de Supervisión Local Son interfaces gráficos computacionales de tipo Industrial (resistentes a condiciones adversas), que permiten a los operadores de las plantas, realizar operaciones y supervisión local de los procesos, así como funciones de Mantenimiento. LPT RS-485 Ethernet RS-232 TCP/IP

Sistemas de Telecomunicaciones. Módulos de Comunicación Antena UHF Satélites Antena Microondas RTU Módulos de Comunicación Estaciones Base y Repetidoras Telefonía Radio Móvil Centros de Control

Sistemas de Alimentación y Energía Eléctrica. Sistema de Alimentación Eléctrica 24 Vdc Rectificador /Cargador RTU Banco de baterías Instrumentación Telecomunicaciones Panel Solar Red de 110 Vac / 220Vac Diagrama de Subsistemas